光电镊微纳机器人：生命科学领域的“光之手”
光电镊微纳机器人：生命科学领域的“光之手”
近日，中国科学院深圳先进技术研究院智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员团队开发出了全新的光-电镊（Photopyroelectric tweezer，PPT），实现了对不同材质、相态和形状物体的非接触、跨尺度、普适、多功能操控。相关成果以“Photopyroelectric tweezer for versatile manipulation”为题，发表在期刊The Innovation上。
这一突破性技术不仅克服了传统光镊的局限性，还为生命科学领域带来了新的研究工具。光-电镊技术的出现，标志着微纳操控技术迈入了一个新的发展阶段，为细胞研究、生物医学和神经调控等领域开辟了新的可能性。
光电镊微纳机器人的工作原理
光电镊微纳机器人是一种利用光束诱导产生的电场对细胞进行精准操控的新型技术。其核心原理是通过光热效应和介电泳效应的协同作用，实现对微纳尺度物体的非接触式操控。
具体来说，当激光照射到光热材料上时，会产生局部温度变化，进而引发电荷分布的变化。这种变化产生的电场可以作用于周围的微粒或细胞，通过介电泳效应实现对它们的捕获和移动。与传统的机械式或光学操控方法相比，光电镊微纳机器人具有更高的精度和灵活性，能够在不损伤细胞的情况下完成复杂的操控任务。
在生命科学领域的应用
光电镊微纳机器人在生命科学领域的应用前景广阔，特别是在细胞分选、培育和基因测序等方面展现出独特优势。
细胞分选与培育：利用光电镊微纳机器人，研究人员可以对单个细胞进行精确操控，实现细胞的分选和培育。这种技术不仅提高了细胞分选的效率，还大大降低了对细胞的损伤，有助于保持细胞的活性和功能。
基因测序：在基因测序领域，光电镊微纳机器人可以用于操控单个细胞或DNA分子，实现高精度的基因分析。这种技术能够提高测序的准确性和效率，为个性化医疗和疾病诊断提供新的工具。
抗体开发与细胞疗法：光电镊微纳机器人在抗体开发和细胞疗法中也展现出巨大潜力。通过精确操控细胞，研究人员可以更有效地筛选和培养具有特定功能的细胞，加速新药研发进程。此外，该技术还可以用于细胞疗法中的细胞递送和定位，提高治疗效果。
新冠疫苗研发：在新冠疫苗研发中，光电镊微纳机器人可以用于病毒颗粒的操控和分析，帮助研究人员更好地理解病毒的结构和功能，从而开发出更有效的疫苗。
最新研究进展
北理工团队的突破：北京理工大学物理学院李家方教授、姚裕贵教授团队与机电学院/集成电路学院张帅龙教授团队合作，提出并实现了游离态纳米剪纸转子的光电镊自由操控。通过原位滴定腐蚀方法，成功将金属微型转子结构从基底上释放，并实现了向光电镊系统的高效转移和集成。该技术在微流体学、MEMS系统、纳米光子学等领域具有重要应用前景。
中科院深圳先进院的创新：杜学敏研究员团队开发的光-电镊技术，通过铁电高分子材料构建的光-电转换器产生光-电场，实现了对不同材质、相态和形状物体的非接触、跨尺度、普适、多功能操控。该技术在微型机器人、类器官和神经调控等生物医学领域展现出巨大潜力。
西安光机所的研究成果：西安光机所姚保利团队提出人工势场全息光镊，通过人工智能算法为光阱中的微粒添加虚拟排斥场，解决了多微粒动态光学微操控过程中的碰撞问题，实现了微粒集群的全并行最优路径控制和结构组装。该技术有望推进光镊在量子计算、微纳显示和生命科学等领域的应用。
未来展望
光电镊微纳机器人技术的快速发展，为生命科学研究带来了新的机遇。随着技术的不断进步，我们有理由相信，这种新型操控技术将在更多领域发挥重要作用。
例如，在再生医学领域，光电镊微纳机器人可以用于细胞的精确组装和组织工程；在神经科学领域，该技术可以实现对神经元的精准操控，为神经系统疾病的研究和治疗提供新的手段；在生物传感领域，光电镊微纳机器人可以用于开发高灵敏度的生物传感器，实现对生物分子的实时监测。
然而，要实现这些应用，仍需解决一些技术挑战。例如，如何进一步提高操控精度和效率，如何实现更大规模的细胞操控，以及如何将该技术与现有的生物医学设备更好地集成等。这些问题的解决将推动光电镊微纳机器人技术向更广泛的应用领域拓展。
总之，光电镊微纳机器人作为一项前沿科技，正在为生命科学研究和生物医学应用带来新的可能性。随着技术的不断发展和完善，我们期待看到更多基于光电镊微纳机器人的创新应用，为人类健康和生命科学的进步做出贡献。